Akademik

(от англ, stellar - звёздный) - замкнутая магнитнаяловушка, в к-рой необходимая для удержания плазмы конфигурация магн. поля создаётся токами, текущими вне плазменного объёма. С. представляетсобой одну из разновидностей тороидальных систем, магн. поле к-рыххарактеризуется наличием тороидальных (в топологич. смысле) магн. поверхностейс вращат. преобразованием (сдвигом, поворотом) силовых линий. Впервые навозможность существования в магн. поле таких поверхностей указал И. Е. Тамм (1928) на примере кольца с током, помещённого в продольное тороидальноемагн. поле. В этом случае силовые магн. линии представляют собой тороидальныеспирали, навивающиеся вокруг осевой линии кольцевого тока и совершающиев ср. от оборотов по малому азимуту при п обходах вдоль тора. Важнойхарактеристикой С. является вращательное преобразование - величина, определяющаячисло обходов по малому азимуту при одном обходе вдоль тора: ц = т/га. Если и. есть число иррациональное, то магн. силовая линия не замыкаетсясама на себя, образуя при бесконечном движении вдоль тора некую магн. поверхность. В случае рациональных происходит вырождение магн. поверхностей - они состоят из множества силовыхлиний, замкнутых на себя после п обходов вокруг тора. Вся магн. конфигурация представляет собой семейство вложенных друг в друга магн. поверхностей с осью, совпадающей с центром кольцевого тока.

Подобные магн. конфигурации получили практич. использование в связис развитием работ по управляемому термоядерному синтезу с магн. удержанием плазмы. Идею плазменной магн. ловушки с токовыми проводниками, расположенными снаружи замкнутых магн. поверхностей, выдвинул Л. Спитцер(L. Spitzer); он же предложил название для таких систем - С., т. е. ториз звёздного вещества.

Вращат. преобразование силовых линий приводит к компенсации тороидальногодрейфа заряж. частиц, обеспечивая равновесие плазмы. Дрейфовые траекториибольшинства частиц плазмы (т. н. пролётных) оказываются близкими к магн. поверхностям и смещены на величину порядка ( - ларморовскийрадиус частицы). Переход с одной дрейфовой траектории на другую происходитлишь в результате столкновений с др. частицами. Исключение составляют частицыс малыми продольными скоростями, запертые в локальных минимумах винтовогои тороидального полей. Отклонение их траекторий от магн. поверхностей существеннобольше и именно этими частицами в случае редких столкновений в горячейплазме определяются коэф. диффузии и теплопроводности (неоклассич. теорияпереноса; см. Переноса процессы).

В классич. С. к тороидальному магн. полю добавляется магн. поле 2l винтовых обмоток с чередующимся направлением токов. Магн. поле внутривинтовых проводников не очень крутого тора описывается потенциалом

где В _т - тороидальное магн. поле,- относит. амплитуда винтовых гармоник,(L - шаг винтовой обмотки) и - пространственные координаты, -модифициров. ф-ция Бесселя. Внутри данного объёма возникают два вида силовыхлиний: силовые линии, охватывающие винтовые проводники, и внутр. линии, образующие магн. поверхности. Поверхность, разделяющая обе эти области, наз. сепаратрисой. В пренебрежении торойдальностью и вкладом более высокихгармоник она представляет собой l -угольную винтовую поверхностьс шагом, равным шагу винтовой обмотки, и рёбрами, расположенными напротивпроводников с направлением тока, противоположным направлению продольногополя В _т при правом винтовом обходе, и наоборот- при левом. Схематич. изображение поперечного сечения магн. поверхностейдля С. l=3 и l=2 приведено на рис. 1. Силовые линии замкнутых магн. поверхностей отстают от вращения рёбер сепаратрисы. Совершая радиальныеи азимутальные колебания, силовые линии дрейфуют по малому азимуту, обеспечиваяср. угол преобразования поворота. На рис. 2 изображена поперечная проекциясиловой линии на нек-рой магн. поверхности.

Рис. 1. Поперечное сечение магнитных поверхностей для стеллараторас l = 3 (а), с l = 2 (б).

Рис. 2. Поперечная проекция силовой линии;и - минимальный и максимальный радиусы магнитных поверхностей.

Рис. 3. Схема конструкции стелларатора - торсатрона ATF: 1 - механическаяоболочка; 2 - вакуумная камера; 3 - винтовые обмотки; 4 - внутренние обмоткипоперечного поля; 5 - средние обмотки поперечного поля; 6 - внешние обмоткипоперечного поля; 7 - фланец вакуумной камеры; 8 - опоры установки; 9 -основание; 10 - место для исследовательской аппаратуры.

Преобразование поворота в С. возникает в результате усреднения вдольтороидальной системы несмотря на то, что среднее полоидальное магн. поле внутри винтовых проводников равно нулю,Полоидальный магн. поток через продольную перегородку dS между близкимимагн. поверхностями не равен нулю и соответственно вращат. преооразование h, численно равно , где dФ - продольный магн. поток, охватываемый данными поверхностями. Др. характеристикой магн. поля С. является величина радиальной производнойвращат. преобразования , или т. н. шир ( -усреднённый радиус сечения магн. поверхности), характеризующий степеньперекрещенности силовых линий при переходе с одной поверхности на другую. Создание достаточной величины шира необходимо для обеспечения устойчивостиплазмы в системе. Величины и характеризуюттакже степень топологич. устойчивости магн. структуры С. Для обеспечениязаданной структуры поля необходима высокая точность изготовления магн. обмоток С. Неизбежные неточности изготовления установки могут приводитьк заметной деформации магн. поверхностей. Особую опасность для удержанияплазмы представляют резонансные возмущения рациональных магн. поверхностейс низкими значениями от и и, приводящие к образованию т. н. магн. островов(см. Пересоединение магн. полей), что равносильно уменьшению эффективногопоперечного размера системы. Устойчивость плазмы в С. может быть такжеобеспечена при низких значениях магн. шира при наличии ср. магн. ямы (см.Стабилизация неустойчивостей плазмы).

Магн. поле С. может быть создано разл. способами. Системы, где тороидальноеи винтовое поля создаются винтовыми обмотками с однонаправленными токами, наз. торсатронами. Гелиотрон - установка, в к-рой наряду с торсатроннымиобмотками используются катушки, создающие часть тороидального магн. потока. Магн. поле С. может быть создано и без винтовых обмоток - с помощью специальнопрофилированных катушек. Разрабатываются и более сложные системы с пространственноймагн. осью.

Первые эксперта, исследования на С. (США, 1950-е- 60-е гг.) были неудачны:на всех установках наблюдалась повышенная Бома диффузия плазмы. Причины неудач - относительно низкие значения полоидальных магн. полейи отсутствие контроля за качеством магн. поверхностей. Успехи в СССР наустановках типа токамак привели к закрытию амер. стеллараторнойпрограммы и переключению усилий на исследования на токамаках. В 1960-хгг. исследования по С. переместились в СССР, ФРГ, Великобританию и Японию. На С. Л-1 (ФИАН) впервые был разработан метод измерения структуры магн. поверхностей и показано, что диффузия плазмы, созданной внеш. инжекцией, примерно на порядок медленнее бомовской. На С. «Вандельштейн-1» (ФРГ) былопоказано, что холодная ( Т 0,2 эВ) цезиевая плазма удерживается в С. классически. Исследования, проведённые во мн. лабораториях мира на небольших установках с относительнойхолодной и неплотной плазмой, показали удовлетворит. удержание плазмы вС. В нач. 70-х гг. на установке «Ураган» (Харьков) был успешно проведёнионно-циклотронный нагрев плазмы и показано, что потери энергиипо ионному каналу близки к неоклассическим. В сер. 70-х гг. были введеныв строй С. 2-го поколения: Л-2 (СССР), «Вандельштейн-VIIA» (ФРГ) и «Клео»(Великобритания), на к-рых при омич. нагреве была получена плазма плотностью см ^-3 и темп-рой Т _е 0,5 кэВ, доступная ранее только на токамаках. На С. «Вандельштейн-VIIA»была создана бестоковая плазма в режиме инжекции пучков нейтральных атомов;проводятся исследования бестоковой плазмы, создаваемой методом электронногоциклотронного резонанса и инжекции нейтральных пучков. В 80-х гг. былисооружены крупные установки «Гелиотрон-Е» (Япония), «Вандельштейн-VIIAS»(ФРГ), ATF (США), на к-рых были достигнуты более высокие параметры плазмы:кэВ (нагрев при электронном циклотронном резонансе),см ^-3 и (нейтральная инжекция). Гл. преимущество С. - возможность стационарнойработы. В 1991 на С. ATF было продемонстрировано удержание горячей плазмыв течение 20 с; проектируются С. «Вандельштейн-VIIX» и «LHD» сосверх-проводящими магн. обмотками, работающими в стационарном режиме.

Лит.: Рабинович М. С., Экспериментальные исследования на стеллараторах, в кн.: Итоги науки и техники, сер. Физика плазмы, т. 2, М., 1981, с. 6;Ш а ф р а н о в В. Д., Тороидальные системы для управления термоядерногосинтеза, там же, т. 8, М., 1988, с. 131; Волков Е. Д., Супруненко В. А.,Ш и ш к и н А. А., Стеллатор, К., 1983. С. Е. Гребенщиков.